本發(fā)明涉及一種陽(yáng)光泵浦激光工作晶體納米摻雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用激光工作晶體內(nèi)部金屬離子的納米級(jí)階梯摻雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高陽(yáng)光泵浦工作晶體的“光-光”轉(zhuǎn)換率，減少入射能力損失，進(jìn)而優(yōu)化陽(yáng)光泵浦激光器設(shè)計(jì)。這種納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)的激光工作晶體可以應(yīng)用到地面或空間陽(yáng)光泵浦激光器中，具有“光-光”轉(zhuǎn)換效率高，散熱小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于地面或空間多種激光應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
：在陽(yáng)光泵浦激光器系統(tǒng)中，激光工作晶體對(duì)入射光能量的吸收效率直接決定了系統(tǒng)的總能效和激光輸出功率。當(dāng)前的光泵浦激光晶體中，如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)晶體等，其晶體內(nèi)部的金屬離子多采用均勻摻雜或者分段數(shù)較少的階梯摻雜，這種摻雜結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部泵浦光入射方向能量吸收不均勻，在晶體內(nèi)部形成溫度梯度效應(yīng)、端面形變熱透鏡效應(yīng)、雙折射效應(yīng)等，這些熱效應(yīng)限制了激光工作晶體對(duì)入射光吸收效率的提高，同時(shí)限制了激光器輸出功率的提升。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為克服現(xiàn)有“光-光”泵浦激光器泵浦光能量吸收不均勻?qū)е碌母鞣N熱效應(yīng)，提出一種應(yīng)用于太陽(yáng)光直接“光-光”泵浦激光器的高能效陽(yáng)光泵浦激光工作晶體，該晶體無(wú)需改變現(xiàn)有的晶體體積和形態(tài)，其內(nèi)部金屬離子摻雜采用納米摻雜結(jié)構(gòu)，可使晶體內(nèi)部能量吸收均勻。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供了一種納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)的陽(yáng)光泵浦激光工作晶體的制備方法，其包括如下步驟：S1：利用激光工作晶體介質(zhì)的吸收原理，計(jì)算階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長(zhǎng)度Li之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)一步計(jì)算每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；S2：激光工作晶體介質(zhì)由激光工作晶體的基質(zhì)內(nèi)部摻雜激光工作金屬離子形成，如Nd:YAG介質(zhì)中，基質(zhì)為YAG晶體，金屬離子為三價(jià)釹離子，采用熔融法直接在激光工作晶體的基質(zhì)中產(chǎn)生分散的激光工作金屬離子，根據(jù)步驟S1中的理論計(jì)算得到的每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制制備的條件，使產(chǎn)生的激光工作金屬離子分布滿足納米階梯分布條件，所產(chǎn)生的激光工作晶體即成為納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)的陽(yáng)光泵浦激光工作晶體。作為優(yōu)選方案，所述階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長(zhǎng)度Li之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式如式I所示：Pi=P0[1-exp(-α1L1)]i=1P0exp(-Σj=1i-1αjLj)·[1-exp(-αiLi)]i≥2---I,]]>其中，P0為入射光總功率，i＝1，2，3……N，N為激光晶體分段數(shù)，納米階梯摻雜中N取值為正無(wú)窮，且有P1＝P2＝……＝PN；αj為工作晶體的吸收系數(shù)，吸收系數(shù)與摻雜濃度之間有近似的線性關(guān)系，如在Nd:YAG晶體中有α(n)＝736n+6，其中α表示吸收系數(shù)，單位為m-1；n表示摻雜濃度，單位為at％。作為優(yōu)選方案，所述每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式如式II所示：Li=-1ailn[N-iη0N-(i-1)η0]---II,]]>其中，η0為入射光總吸收效率。作為優(yōu)選方案，所述η0的計(jì)算公式如式III所示：P1=P2=P3=...=PN=P0η0N---III.]]>作為優(yōu)選方案，所述激光工作晶體的成分為Nd:YAG。作為優(yōu)選方案，所述激光工作晶體的直徑為5～6mm，長(zhǎng)度為8mm。作為優(yōu)選方案，所述激光工作晶體的端面泵浦時(shí)，入射端摻雜三價(jià)釹離子的濃度為0.1at％，出射端摻雜三價(jià)釹離子的濃度為1at％或2at％，中間部分摻雜三價(jià)釹離子的長(zhǎng)度和濃度分別按照和計(jì)算，其中長(zhǎng)度應(yīng)按照10-7～10-9量級(jí)以及實(shí)際加工難度均勻劃分。作為優(yōu)選方案，當(dāng)入射光的強(qiáng)度不超過(guò)4000W/m2時(shí)，激光工作晶體的整體吸收效率控制為80～85％。換言之：本發(fā)明的納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)的陽(yáng)光泵浦激光工作晶體的制備方法，如圖1所示，包括如下步驟：步驟1，制備納米階梯摻雜的“光-光”泵浦激光工作晶體，利用激光工作晶體介質(zhì)的吸收原理，計(jì)算階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi(i＝1，2，3……N)和分段長(zhǎng)度Li之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，令P1＝P2＝……＝Pi，并對(duì)分段數(shù)N取極限，計(jì)算出每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。步驟2，當(dāng)N的數(shù)值取極限時(shí)，階梯效應(yīng)逐漸顯示出連續(xù)性，短距離內(nèi)的溫度和能量也更加均勻，當(dāng)摻雜濃度的階梯變化達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，工作晶體內(nèi)部沿著泵浦光入射方向各個(gè)位置處的吸收能量和溫度均相同，從而解決了工作晶體內(nèi)部的熱效應(yīng)問(wèn)題，減小熱控系統(tǒng)壓力。所述步驟1包括：(1)在分段階梯摻雜的“光-光”泵浦激光工作晶體中，各段介質(zhì)吸收功率的表達(dá)式為Pi=P0[1-exp(-α1L1)]i=1P0exp(-Σj=1i-1αjLj)·[1-exp(-αiLi)]i≥2]]>其中P0為入射光總功率，α1為摻雜系數(shù)。i＝1，2，3……N，N為激光晶體分段數(shù)。納米階梯摻雜中N取值為正無(wú)窮，且有P1＝P2＝……＝PN。(2)為使“光-光”泵浦激光工作晶體內(nèi)各個(gè)階段介質(zhì)吸收功率相同，保證吸收效率恒定需滿足P1=P2=P3=...=PN=P0η0N]]>其中η0為入射光總吸收效率，據(jù)此可以計(jì)算出每段介質(zhì)的長(zhǎng)度Li=-1ailn[N-iη0N-(i-1)η0]]]>令N趨于無(wú)窮大，則Li趨于0，即達(dá)到納米階梯，此時(shí)晶體內(nèi)部階梯數(shù)無(wú)窮大，在入射光徑向能量均勻分布。(3)采用熔融法直接在激光工作晶體基質(zhì)(YAG)中產(chǎn)生分散的激光工作金屬離子，通過(guò)步驟1中的理論計(jì)算結(jié)果，經(jīng)合理控制制備的條件，使產(chǎn)生的激光工作金屬離子分布滿足納米階梯分布條件，所產(chǎn)生的激光工作晶體即成為納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)“光-光”泵浦激光工作晶體。在實(shí)際應(yīng)用中，Nd:YAG激光工作晶體的外形尺寸需要按照輸出功率和入射光強(qiáng)度綜合考慮設(shè)計(jì)。所述納米階梯摻雜激光工作晶體設(shè)計(jì)針對(duì)直徑5～6mm，長(zhǎng)度8mm的Nd:YAG激光工作晶體。當(dāng)端面泵浦時(shí)，摻雜三價(jià)釹離子(Nd3+)濃度為入射端(0mm處)0.1at％，出射端(8mm處)1at％或2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計(jì)算，當(dāng)入射光強(qiáng)度不超過(guò)4000W/m2時(shí)，整體吸收效率控制在80～85％。本發(fā)明由以上步驟和原理構(gòu)成，研制成一種對(duì)入射太陽(yáng)光能量均勻吸收的“光-光”泵浦激光工作晶體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明通過(guò)非均勻摻雜，使泵浦光能量在工作介質(zhì)內(nèi)各部分均勻吸收，進(jìn)而減少熱量分布的不均衡。在不降低總體吸收效率的情況下，既能避免局部溫度過(guò)高，又可以避免溫度階梯的產(chǎn)生。附圖說(shuō)明通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：圖1是激光晶體均勻摻雜與階梯摻雜的加工流程示意圖；圖2是激光晶體端面泵浦納米階梯摻雜的工作原理圖；圖3是納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)能量吸收的工作過(guò)程圖；圖4為側(cè)面泵浦工作方式下激光工作晶體內(nèi)部金屬離子摻雜分布圖；圖5為“端、側(cè)面”混合泵浦工作方式下激光工作晶體內(nèi)部金屬離子摻雜分布圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明提供了一種納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)的陽(yáng)光泵浦激光工作晶體的制備方法，其包括如下步驟：S1：利用激光工作晶體介質(zhì)的吸收原理，計(jì)算階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長(zhǎng)度Li之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)一步計(jì)算每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；S2：激光工作晶體介質(zhì)由激光工作晶體的基質(zhì)內(nèi)部摻雜激光工作金屬離子形成，如Nd:YAG介質(zhì)中，基質(zhì)為YAG晶體，金屬離子為三價(jià)釹離子，采用熔融法直接在激光工作晶體的基質(zhì)中產(chǎn)生分散的激光工作金屬離子，根據(jù)步驟S1中的理論計(jì)算得到的每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制制備的條件，使產(chǎn)生的激光工作金屬離子分布滿足納米階梯分布條件，所產(chǎn)生的激光工作晶體即成為納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)的陽(yáng)光泵浦激光工作晶體。作為優(yōu)選方案，所述階梯摻雜晶體中分段晶體的吸收能量Pi和分段長(zhǎng)度Li之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式如式I所示：Pi=P0[1-exp(-α1L1)]i=1P0exp(-Σj=1i-1αjLj)·[1-exp(-αiLi)]i≥2---I,]]>其中，P0為入射光總功率，i＝1，2，3……N，N為激光晶體分段數(shù)，納米階梯摻雜中N取值為正無(wú)窮，且有P1＝P2＝……＝PN；αj為工作晶體的吸收系數(shù)，吸收系數(shù)與摻雜濃度之間有近似的線性關(guān)系，如在Nd:YAG晶體中有α(n)＝736n+6，其中α表示吸收系數(shù)，單位為m-1；n表示摻雜濃度，單位為at％。作為優(yōu)選方案，所述每段晶體的長(zhǎng)度和摻雜濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式如式II所示：Li=-1ailn[N-iη0N-(i-1)η0]---II,]]>其中，η0為入射光總吸收效率。作為優(yōu)選方案，所述η0的計(jì)算公式如式III所示：P1=P2=P3=...=PN=P0η0N---III.]]>作為優(yōu)選方案，所述激光工作晶體的成分為Nd:YAG。作為優(yōu)選方案，所述激光工作晶體的直徑為5～6mm，長(zhǎng)度為8mm。作為優(yōu)選方案，所述激光工作晶體的端面泵浦時(shí)，入射端摻雜三價(jià)釹離子的濃度為0.1at％，出射端摻雜三價(jià)釹離子的濃度為1at％或2at％，中間部分摻雜三價(jià)釹離子的長(zhǎng)度和濃度分別按照和計(jì)算，其中長(zhǎng)度應(yīng)按照10-7～10-9量級(jí)以及實(shí)際加工難度均勻劃分。作為優(yōu)選方案，當(dāng)入射光的強(qiáng)度不超過(guò)4000W/m2時(shí)，激光工作晶體的整體吸收效率控制為80～85％。如圖2所示，利用“光-光”泵浦激光工作晶體內(nèi)部的納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)，在入射光端面開(kāi)始逐漸提高激光晶體內(nèi)部金屬離子的摻雜濃度，進(jìn)而逐漸提高晶體內(nèi)部的入射光吸收能力，隨著入射光功率在徑向的逐漸降低，使晶體內(nèi)部功率吸收均衡，達(dá)到晶體發(fā)熱均勻的目的。如圖3所示，該系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：步驟一，當(dāng)入射光(陽(yáng)光)到達(dá)激光工作晶體端面時(shí)，由于此時(shí)入射光前端功率較高，若激光晶體采用均勻摻雜結(jié)構(gòu)，則在激光晶體的入射端面處會(huì)聚集較大功率；采用納米階梯摻雜，由于端面處吸收系數(shù)較低，則端面處吸收功率并未聚集較大功率。步驟二，在晶體內(nèi)部，由于入射光前端功率不斷被吸收，導(dǎo)致前端功率下降，因此在晶體內(nèi)部入射光徑向形成能量衰減，此時(shí)均勻結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部能量吸收衰減，而納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)則通過(guò)提高吸收系數(shù)的方式使各部分晶體能量吸收均衡。所述納米階梯摻雜激光工作晶體設(shè)計(jì)針對(duì)直徑5mm-6mm，長(zhǎng)度8mm的圓柱形Nd:YAG激光工作晶體。摻雜三價(jià)釹離子(Nd3+)濃度為入射端(0mm處)0.1at％，出射端(8mm處)1at％或2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計(jì)算，當(dāng)入射光強(qiáng)度不超過(guò)4000W/m2時(shí)，整體吸收效率控制在70％-80％。步驟三，在均勻摻雜情況下，由于晶體內(nèi)局部吸收的能量與散發(fā)的熱量成正比，因此帶來(lái)晶體內(nèi)部熱量分布不均，一定時(shí)間內(nèi)形成熱透鏡和熱梯度效應(yīng)。而采用納米階梯摻雜，工作晶體內(nèi)部各部分能量分布均勻，熱耗均衡，抑制量熱透鏡或熱梯度效應(yīng)的產(chǎn)生。如圖4所示，為側(cè)面泵浦工作方式下激光工作晶體內(nèi)部金屬離子摻雜分布圖。其原理是在圓柱體激光晶體外側(cè)摻雜低濃度的金屬離子，在納米尺度下，越靠近圓柱體中心摻雜濃度越高，則在晶體內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)從外側(cè)至軸心的入射光均勻吸收。所述納米階梯摻雜激光工作晶體設(shè)計(jì)針對(duì)直徑5mm～6mm，長(zhǎng)度8mm的圓柱形Nd:YAG激光工作晶體。摻雜三價(jià)釹離子(Nd3+)濃度為外側(cè)面(0mm處)0.3at％，晶體軸心處(2.5mm或者3mm處)2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計(jì)算，當(dāng)入射光強(qiáng)度不超過(guò)4000W/m2時(shí)，整體吸收效率控制在80～85％。如圖5所示，為“端、側(cè)面”混合泵浦工作方式下激光工作晶體內(nèi)部金屬離子摻雜分布圖。由于端面和側(cè)面同時(shí)有泵浦光輸入，因此需要在兩端面處降低金屬離子摻雜濃度。“光-光”泵浦系統(tǒng)主要有端面泵浦、側(cè)面泵浦、“端、側(cè)面”混合泵浦等幾種工作方式，泵浦光輸入方式不同則工作晶體的納米階梯摻雜結(jié)構(gòu)也不同。無(wú)論采用何種工作方式，納米階梯摻雜的原則都是在入射光端面處降低摻雜濃度，在入射光徑向逐漸增加摻雜濃度，維持晶體內(nèi)部的能量均衡吸收。所述納米階梯摻雜激光工作晶體設(shè)計(jì)針對(duì)直徑5～6mm，長(zhǎng)度8mm的圓柱形Nd:YAG激光工作晶體。摻雜三價(jià)釹離子(Nd3+)濃度為外側(cè)面(距離軸心0mm處)0.2at％，晶體軸心處(軸心處)2at％；兩端面處摻雜濃度為0.2at％，中間部分摻雜濃度按照所述公式計(jì)算，當(dāng)入射光強(qiáng)度不超過(guò)4000W/m2時(shí)，整體吸收效率控制在85～90％。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3